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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Interferometereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung.
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Stand der Technik
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Aus Fabry-Perot Interferometern (FPI) ist es vorteilhaft möglich in Wellenlängen durchstimmbare spektrale Filter mit einem hohen Grad einer Miniaturisierung zu erzielen. Hierzu kann sich vorteilhaft MEMS-Technologie eignen (mikroelektromechanische Bauteile). Es kann dabei ausgenutzt werden, dass eine Kavität bestehend aus zwei planparallelen, hochreflektierenden Spiegeln mit einem Abstand (Kavitätslänge) im Bereich optischer Wellenlängen eine starke Transmission nur für Wellenlängen zeigt, für welche die Kavitätslänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Durch die Anwendung beispielsweise elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktoren kann die Kavitätslänge verändert werden. Somit kann ein die Wellenlängen der Transmission veränderliches (spektral durchstimmbares) Filterelement bereitgestellt werden. Die Funktion eines solchen Spektrometers kann dabei stark von der Parallelität der beiden Spiegel abhängen, wobei diese möglichst hoch sein sollte, sodass zwischen den beiden Spiegeln eine definierte Kavität mit einer möglichst hohen Finesse entsteht. Die Finesse beschreibt das Verhältnis des Abstands zweier benachbarter Interferenzmaxima und der Halbwertsbreite eines einzelnen Interferenzmaximums beispielsweise in Wellenlängen. Es ist hierzu die Anwendung zweier Spiegel möglich, die auf zwei massiven, biegesteifen Substraten aufgebracht werden, die später aneinander gebondet werden können.
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Eine Messung der Größe des Abstands zwischen den Spiegeln bei üblichen FPIs erfolgt meist durch eine Rückmessung des optischen Spiegelabstands über die Aktuierungselektroden oder separate Elektroden, wobei üblicherweise alle Elektroden den gleichen oder einen unterschiedlichen Abstand aufweisen können.
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In der
US2014/0022643 A1 wird ein wellenlängenvariables Interferenzfilter mit einem beweglichen Substrat und einem stationären Substrat beschrieben, wobei die beiden Substrate unterschiedliche Kapazitäten sowie Abstände bilden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Interferometereinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung nach Anspruch 7.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Interferometereinrichtung mit einer verbesserten Möglichkeit zur Abstandsbestimmung zwischen den beiden Spiegeln bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Interferometereinrichtung ein Substrat mit einer Randstruktur, welche auf dem Substrat angeordnet ist, und in Draufsicht auf eine Oberseite des Substrats einen optischen Bereich über dem Substrat zumindest teilweise lateral umläuft; eine erste Spiegeleinrichtung, welche sich zumindest im optischen Bereich über dem Substrat und dieses überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur verankert ist. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung eine zweite Spiegeleinrichtung, welche sich zumindest im optischen Bereich über dem Substrat und über der ersten Spiegeleinrichtung und diese überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur verankert ist, wobei die erste und zweite Spiegeleinrichtung im optischen Bereich freigestellt sind; eine erste Aktuierungselektrode, welche auf dem Substrat angeordnet ist und einen Mittelbereich des optischen Bereichs zumindest teilweise lateral umläuft; und eine zweite Aktuierungselektrode, welche auf dem Substrat angeordnet ist und lateral außerhalb der ersten Aktuierungselektrode angeordnet ist, und wobei die erste Spiegeleinrichtung zumindest über der ersten und zweiten Aktuierungselektrode einen ersten elektrisch leitenden Bereich umfasst; und eine Steuereinrichtung, welche mit der ersten und zweiten Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Aktuationsspannung zwischen der ersten Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich anzulegen und eine Auswertungsspannung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode anzulegen und bei einem Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung aus einer Differenz einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode und/oder einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode oder gegen eine feste Referenzkapazität einer Auswerteschaltung einen ersten Abstand zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung zu bestimmen.
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Eine Änderung der Kapazität kann vorteilhaft als ein Maß der Auslenkung erkannt werden. Die Messung der Kapazitäten kann durch die angelegten Auswertungsspannungen erfolgen, wobei der erste Bereich an einen negativen Eingang eines Operationsverstärkers geschaltet werden kann, und vorteilhaft auf ein Masse-Potential gelegt werden kann. Aus einer Bewegung der ersten Spiegeleinrichtung und somit einer Änderung der Kapazitäten kann mittels einer Auswerteschaltung direkt ein differentielles Signal erzeugt werden, was ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis zur einzelnen Messung der Kapazitäten ergeben kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die Steuereinrichtung eine Auswerteschaltung, durch welche zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode eine zweite Auswertungsspannung anlegbar ist, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist.
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Bei einer Bewegung der Spiegeleinrichtung können Veränderungen in den Kapazitäten zwischen einer Spiegeleinrichtung und den unterschiedlichen Elektroden vorteilhaft getrennt betrachtet werden. Gegengepolte und vorteilhaft im Betrag gleiche Auswertungsspannungen können sich in einem unausgelenkten Zustand der Spiegeleinrichtung kompensieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Auswerteschaltung dazu eingerichtet, eine Differenz einer Änderung einer ersten Kapazität und einer Änderung einer zweiten Kapazität zu ermitteln, wobei der erste elektrisch leitende Bereich und die erste Aktuierungselektrode die erste Kapazität bilden und der erste elektrisch leitende Bereich und die zweite Aktuierungselektrode die zweite Kapazität bilden.
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Aus einer Bewegung der ersten Spiegeleinrichtung und somit einer Änderung der ersten und zweiten Kapazität kann mittels der Auswerteschaltung direkt ein differentielles Signal erzeugt werden, was ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu einer einzelnen Messung der ersten oder zweiten Kapazität aufweisen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Auswerteschaltung dazu eingerichtet, die erste Auswertungsspannung und die zweite Auswertungsspannung mit der Aktuationsspannung zu überlagern.
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Die beiden Auswertungsspannungen können dann auf einer Aktuationsspannung, welche jeweils an den Aktuierungselektroden anliegt, aufmoduliert werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft auf einen separaten Spannungsanschluss an der jeweiligen Aktuierungselektrode verzichtet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung ist die Aktuationsspannung eine zeitlich veränderliche Spannung.
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Die Messung der Kapazitätsänderungen kann über einen längeren Zeitraum verlaufen, über welchen die Aktuationsspannung zeitlich veränderlich sein kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst der erste elektrisch leitende Bereich einen Kreisring über der ersten Aktuierungselektrode und über der zweiten Aktuierungselektrode oder entspricht der gesamten Ausdehnung der zugehörigen Spiegeleinrichtung.
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Bei einem Kreisring kann es vorteilhaft ausreichen, die Aktuationsspannung oder die Auswertungsspannung nur an einem Teilbereich der Spiegeleinrichtung anzulegen und die Änderung der Kapazität zur jeweiligen Aktuierungselektrode nur in diesem Bereich zu betrachten. Bei einem Anlegen der Aktuationsspannung oder der Auswertungsspannung über die gesamte Spiegeleinrichtung kann ein weiterer Bereich betreffend einer Änderung der Kapazität zur jeweiligen Aktuierungselektrode betrachtet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Interferometereinrichtung umfasst die erste Aktuierungselektrode und/oder die zweite Aktuierungselektrode mehrere Teilsegmente, welche jeweils an die gleiche oder an unterschiedliche Aktuationsspannungen anlegbar sind.
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Durch Teilsegmente können Unebenheiten in der ersten Spiegeleinrichtung beim Aktuieren kompensiert werden, so dass unter Aktuierung die erste Spiegeleinrichtung im Mittelbereich parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung ausgelenkt und positioniert werden kann. Durch die Teilsegmente können beim Ermitteln der zugehörigen Teilkapazitäten auch Unterschiede in den Kapazitätsänderungen erkannt werden, was beispielsweise auf Schieflagen oder Unebenheiten in den Spiegeleinrichtungen oder Aktuierungselektroden schließen lässt.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung; ein Anlegen einer Aktuationsspannung zwischen der ersten Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich und zwischen der zweiten Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung und ein Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung; ein Anlegen einer Auswertungsspannung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode durch die Steuereinrichtung; ein Bestimmen einer Differenz einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode und/oder einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode oder gegen eine feste Referenzkapazität einer Auswerteschaltung durch die Steuereinrichtung; und ein Bestimmen des ersten Abstands zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Differenz der Kapazitätsänderungen gegenüber einem unausgelenkten Zustand der beiden Spiegeleinrichtungen.
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Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits in Verbindung mit der Interferometereinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode eine erste Auswertungsspannung und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode eine zweite Auswertungsspannung angelegt, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung zur zweiten Auswertungsspannung gegengepolt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Differenz einer Änderung einer ersten Kapazität und einer Änderung einer zweiten Kapazität ermittelt, wobei der erste elektrisch leitende Bereich und die erste Aktuierungselektrode die erste Kapazität bilden und der erste elektrisch leitende Bereich und die zweite Aktuierungselektrode die zweite Kapazität bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden unterschiedliche Aktuationsspannungen an Teilsegmente der ersten Aktuierungselektrode und/oder der zweiten Aktuierungselektrode angelegt und Unebenheiten in der ersten Spiegeleinrichtung derart beim Aktuieren kompensiert, so dass unter Aktuierung die erste Spiegeleinrichtung im Mittelbereich parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung ausgelenkt und positioniert wird.
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Durch die Teilsegmente können beim Ermitteln der zugehörigen Teilkapazitäten auch Unterschiede in den Kapazitätsänderungen erkannt werden, was beispielsweise auf Schieflagen oder Unebenheiten in den Spiegeleinrichtungen oder Aktuierungselektroden schließen lässt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 1b eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine elektronische Schaltung zur Auswertung einer Kapazität;
- 3 eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und den Aktuierungselektroden für eine Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 5 ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a zeigt eine schematische Seitenansicht der Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung 1 umfasst ein Substrat 2 mit einer Randstruktur RS, welche auf dem Substrat 2 angeordnet ist, und in Draufsicht auf eine Oberseite O des Substrats 2 einen optischen Bereich OB über dem Substrat 2 zumindest teilweise lateral umläuft. Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung 1 eine erste Spiegeleinrichtung SP1, welche sich zumindest im optischen Bereich OB über dem Substrat 2 und dieses überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur RS verankert ist; eine zweite Spiegeleinrichtung SP2, welche sich zumindest im optischen Bereich OB über dem Substrat 2 und über der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und diese überspannend erstreckt und welche an der Randstruktur RS verankert ist, wobei die erste und zweite Spiegeleinrichtung (SP1; SP2) im optischen Bereich OB freigestellt sind. Die Randstrukturen an den beiden Spiegeleinrichtungen können gleich in lateraler oder vertikaler Ausdehnung sein oder sich unterscheiden (beispielsweise prozessbedingt durch die Herstellung).
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Des Weiteren umfasst die Interferometereinrichtung 1 eine erste Aktuierungselektrode AL1, welche auf dem Substrat 2 angeordnet ist und einen Mittelbereich MB des optischen Bereichs OB zumindest teilweise lateral umläuft; eine zweite Aktuierungselektrode AL2, welche auf dem Substrat 2 angeordnet ist und lateral außerhalb der ersten Aktuierungselektrode AL1 angeordnet ist, und wobei die erste Spiegeleinrichtung SP1 zumindest über der ersten und zweiten Aktuierungselektrode (AL1; AL2) einen ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 umfasst; und eine Steuereinrichtung SE, welche mit der ersten und zweiten Aktuierungselektrode (AL1; AL2) und dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 elektrisch verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (SE) dazu eingerichtet ist, eine Aktuationsspannung UAkt zwischen der ersten Aktuierungselektrode AL1 und dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der zweiten Aktuierungselektrode AL2 und dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 anzulegen und eine Auswertungsspannung UAus zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der ersten Aktuierungselektrode AL1 und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der zweiten Aktuierungselektrode AL2 anzulegen und bei einem Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung SP1 aus einer Differenz einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der ersten Aktuierungselektrode AL1 und einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich EL1 und der zweiten Aktuierungselektrode AL2 einen ersten Abstand d12 zwischen der ersten Spiegeleinrichtung SP1 und der zweiten Spiegeleinrichtung SP2 zu bestimmen.
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Der erste leitende Bereich EL1 kann einen Teilbereich der ersten Spiegeleinrichtung SP1 zumindest über den beiden Aktuierungselektroden umfassen oder die gesamte erste Spiegeleinrichtung SP1 umfassen.
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Zumindest eine oder beide Spiegeleinrichtungen können selbst auch mehrere Spiegelteilschichten umfassen und die Spiegeleinrichtungen etwa als Bragg-Spiegel ausgestaltet sein.
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Die Randstruktur RS kann zumindest eine oder mehrere Schichten umfassen, in welche zumindest die erste Spiegeleinrichtung SP1 oder auch die zweite Spiegeleinrichtung SP2 an deren lateralen Rändern eingefasst sein kann.
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Bei einer angelegten Aktuationsspannung kann radial nach innen gesehen die Auslenkung der ersten Spiegeleinrichtung SP1 an Stelle der ersten Aktuierungselektrode AL1 größer sein als an Stelle der zweiten Aktuierungselektrode. Die beiden Aktuierungselektroden können auf diese Weise als ein Aktuierungsring ausgeformt sein, wobei die äußere Elektrode (zweite Aktuierungselektrode) beispielsweise eine Auslenkung der ersten Spiegeleinrichtung in diesem Bereich um ein Drittel einer ersten Auslenkung, wie sie der Mittelbereich bei solcher Aktuierung erfahren kann, und die erste Aktuierungselektrode AL1 (innere) eine Auslenkung der ersten Spiegeleinrichtung in diesem Bereich um zwei Drittel der ersten Auslenkung erzeugen kann. Eine effektive Kapazitätsänderung, also eine Differenz der Änderungssignale beider Kapazitäten (erste und zweite) kann dann beispielsweise ein Drittel betragen (relativ zur Gesamtänderung die dann der Mittelbereich erfahren würde, also der maximal zu erwartenden Änderung).
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Durch die Position der Aktuationselektroden AL1 und AL2 sowie deren Abstand (Versatz) zueinander sowie durch deren Geometrie kann die Differenz der Kapazität, die Auslenkung, und daher das Ausgangssignal einer Auswerteschaltung zur Messung der Kapazität in einem gewissen Rahmen eingestellt (beeinflusst) werden.
Besonders vorteilhaft können die beiden Kapazitäten, deren Differenz hier gebildet werden kann, sehr präzise zueinander passen, so dass Änderungen relativ zueinander in passenden Größenordnungen sind und über weite Größenbereiche die Differenz gebildet werden und ausgewertet werden kann. Der erste Abstand zwischen den Spiegeleinrichtungen kann in Ruhelage bekannt sein und nach Rückschluss aus der gemessenen Änderung der Kapazität kann auf die Veränderung des ersten Abstands der aktuelle Abstand ermittelt werden.
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Die Berücksichtigung der Differenz und Ermittlung der Auslenkung kann aufgrund der geometrischen Flächen sowie deren radialer Positionierung bezüglich des Aktuierungsprofils des Spiegels ermittelt werden. Parasiten können - solange sie bei
beiden Kapazitäten (nahezu) identisch sind - vernachlässigt werden.
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Durch die Aktuationsspannung kann, vereinfacht betrachtet, eine elektrostatische Kraft (1/2 * dC/dx*U2) erzeugt werden (gestrichelt in 1a). Es ist hierbei zu beachten, dass die Kraft flächig wirkt und nicht auf einen einzelnen Punkt beschränkt ist.
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Die beiden Aktuationsspannungen können vorteilhaft gleich sein. Ein Vorteil dieser Schaltungsart liegt in einer störungsärmeren Auswertung des kapazitiven Signals an einem Ausgang einer Messschaltung (Auswerteschaltung). Zwar kann hierbei ein Teil des Gesamt-Kapazitätshubs nicht mehr verwendet werden, durch die Differenz-Bildung der Kapazitäten kann sich jedoch ein Signal ergeben, das direkt mit der Auslenkung der Spiegeleinrichtung (Membran) zusammenhängen kann und weniger
stark von Parasitärkapazitäten beeinflusst wird. Darüber hinaus kann das System unempfindlicher werden gegenüber eingekoppelten elektrischen Störungen. Diese werden im Idealfall perfekt unterdrückt.
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1b zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung 1 kann in Draufsicht auf eine Ebene der Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) als eine kreisrunde Interferometereinrichtung 1 mit kreisrunden Spiegeleinrichtungen SP1; SP2, einem kreisrunden Substrat (vorteilhaft einem kreisrunden Ausschnitt des Substrats) mit einer Oberseite O und mit einer kreisrunden ersten Aktuierungselektrode AL1 und einer kreisrunden zweiten Aktuierungselektrode AL2 ausgestaltet sein, wobei die erste Aktuierungselektrode AL1 lateral (radial) innerhalb der zweiten Aktuierungselektrode AL2 und vorteilhaft um einen radialen Versatz b von der zweiten Aktuierungselektrode AL2 nach innen beabstandet sein kann. Hierbei können auch die freigestellten Bereiche der Spiegeleinrichtungen, insbesondere der optische Bereich und der für eine Lichttransmission oder Lichtfilterung vorgesehen Mittelbereich MB kreisrund sein und von einer kreisrunden Randstruktur RS lateral vollständig umlaufen werden. Die Aktuierungselektroden können durchgehend ohne Unterbrechungen und mit einer gleichen radialen Dicke über einen azimutalen Winkel φ ausgeformt sein. Das Substrat und die Aktuierungselektroden können auch von einer kreisrunden Form abweichen.
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2 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung einer Kapazität.
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Die Schaltung des Operationsverstärkers kann so gewählt werden, dass die Spannung am Eingang des Operationsverstärkers auf null Volt (0V) gehalten werden kann. Die Ausgangsspannung Vout kann proportional zum Strom der über die Kapazitäten C1 und Cref (feste Referenzkapazität einer Auswerteschaltung) in die Schaltung fließt sein. Die Angelegten Auswertungsspannungen UAus1 und UAus2 sind vorteilhaft gegenläufig (d.h. von gleicher Amplitude aber inverser Phase). Sind die Kapazitäten Cref und C1 identisch groß, dann gleichen sich die Ströme aus den beiden Quellen der Auswertespannungen vorteilhaft exakt aus, Vout ist dann bei 0V. Ist C1 größer oder kleiner als Cref, so ergibt sich ein effektiver Strom in die Schaltung und Vout unterscheidet sich von 0V.
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In einer vorteilhaften Auslegung entspricht Cref exakt der Kapazität C1 im Ruhezustand (der Spiegelposition) womit Vout auf 0V sinken kann, was die Auswertung besonders einfach macht. Dies muss aber nicht zwingend so sein, da C1 auf dem MEMS-Chip, Cref aber typischerweise im Auswerteschaltkreis liegt, und beide unkorreliert in der Fertigung variieren können. In diesem Fall bleibt in Ruhelage eine gewisse Restspannung Vout unvermeidlich und muss in der Auswerteschaltung durch eine Kalibrierung abgezogen werden.
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Der erste elektrisch leitende Bereich EL1 und die erste Aktuierungselektrode AL1 können die erste Kapazität C1 bilden und der erste elektrisch leitende Bereich EL1 und die zweite Aktuierungselektrode AL2 können die zweite Kapazität C2 bilden. Die Kapazität C2 geht vorteilhaft nicht ins elektrische Ausgangssignal der Schaltung ein. Die zur Aktuierung an C2 angelegte Steuerspannung Uakt kann völlig unabhängig von der Messung der Kapazität C1 sein.
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Bei einer Veränderung der Abstände zwischen den Spiegeleinrichtungen und der Aktuierungselektroden können sich, etwa durch unterschiedliche Aktuationsspannungen, die Teilbereiche der ersten Spiegeleinrichtung SP1 über den Aktuierungselektroden unterschiedlich verändern, was zu einer unterschiedlichen Änderung der ersten Kapazität C1 und der zweiten Kapazität C2 führen kann. Eine Änderung der Kapazität kann vorteilhaft als ein Maß der Auslenkung erkannt werden. Die Messung der ersten Kapazität C1 oder deren Änderung kann durch die angelegten Auswertungsspannungen UAus1 und UAus2 erfolgen, wobei der erste Bereich EL1 an einen negativen Eingang eines Operationsverstärkers Op geschaltet werden kann, und vorteilhaft auf ein Masse-Potential gelegt werden kann. Die Schaltung kann einen CU-Wandler darstellen. (Kapazität zu Spannung Wandler, beispielsweise einer Beschleunigungsauswertung entsprechend). Die beiden Auswertungsspannungen UAus1 und UAus2 können dann auf einer Aktuationsspannung, welche jeweils an den Aktuierungselektroden anliegt, aufmoduliert werden, und an der ersten Aktuierungselektrode AL1 invertiert zur ersten Auswertungsspannung UAus1 angelegt werden.
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Eine solche Schaltung kann einer Auswertung von Beschleunigungssensoren entsprechen. Das am Ausgang erhaltene Ausgangssignal Vout kann eine Wechselspannung sein, welche proportional zur Differenz der beiden Kapazitäten C1 und Cref sein kann. Durch eine Referenzkapazität Cref, etwa in der Steuereinrichtung (welche einen ASIC umfassen kann) kann eine Aussage über die Änderung der Kapazität C1 getroffen werden. Verglichen mit einem bekannten unausgelenkten Ruhezustand kann die Änderung des ersten Abstands und dann des tatsächlichen Abstands zwischen den beiden Spiegeleinrichtungen ermittelt werden. Der Referenzkondensator Cref kann vorteilhaft einen gleichen Wert aufweisen wie die erste Kapazität im unausgelenkten Zustand.
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Mit dem Widerstand RFB und dem Kondensator CFB wird eine Rückkopplung des Operatorverstärkers angedeutet.
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3 zeigt eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Kapazität zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und den Aktuierungselektroden für eine Interferometereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Zur Ermittlung einer Differenz der Änderung der ersten und der zweiten Kapazität C1 und C2 zueinander kann hierbei an der ersten Aktuierungselektrode AL1 eine erste Auswertungsspannung UAus1 und an der zweiten Aktuierungselektrode AL2 eine zweite Auswertungsspannung UAus2 angelegt werden, welche jeweils eine Wechselspannung umfasst und wobei die erste Auswertungsspannung UAus1 zur zweiten Auswertungsspannung UAus2 gegengepolt sein kann. Die erste Auswertungsspannung UAus1 und die zweite Auswertungsspannung UAus2 können in inverser Phase sein, wobei beide Auswertungsspannungen der Aktuationsspannung UAkt an den jeweiligen Aktuierungselektroden aufmoduliert werden können.
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Aus einer Bewegung der ersten Spiegeleinrichtung und somit einer Änderung der Kapazitäten C1 und C2 kann mittels der Auswertungsschaltung direkt ein differentielles Signal Vout erzeugt werden, was ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis zur einzelnen Messung der ersten Kapazität (nach 2) aufweisen kann. Eventuell in der Auswertungsspannung UAus1 und/oder UAus2 vorhandene Störungen durch elektrisch eingekoppelte Signale können durch die Differenz der Signale ausgeglichen werden, vorteilhaft sich durch differentielle Auswertung aufheben. Da beide Kapazitäten C1 und C2 verwendet werden, kann auf eine zusätzliche Referenzkapazität verzichtet werden. Der erste Bereich E1 wird wiederum auf ein Massepotential (0V) am Operationsverstärker Op gezogen. Das am Ausgang erhaltenen Ausgangssignal Vout kann eine Wechselspannung sein, welche proportional zur Differenz der beiden Kapazitäten C1 und C2 sein kann. Die erste und zweite Kapazität C1 und C2 können in Ruhelage vorteilhaft gleich sein, können jedoch auch verschieden sein. Der Unterschied kann über eine Asymmetrie der beiden Auswertungsspannungen oder durch nachträgliches Abziehen einer Festspannung kompensiert werden. Die Amplitude der ersten Auswertungsspannung UAus1 kann sich von der Amplitude der zweiten Auswertungsspannung UAus2 entsprechend unterscheiden.
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Darüber hinaus kann das Auswertesystem unempfindlicher gegenüber eingekoppelten elektrischen Störungen werden. Diese können im Idealfall vollständig unterdrückt werden.
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Die Auswertungsspannungen können jeweils eine Wechselspannung umfassen, wobei eine Frequenz oberhalb zumindest der ersten mechanischen Resonanzfrequenz der Spiegeleinrichtung (erste) sein sollte, an welcher die Auswertungsspannung angelegt werden kann (erste und/oder zweite). Dadurch kann es vorteilhaft verhindert werden, zumindest größtenteils, dass die Auswertungsspannungen zu unerwünschten Aktuierungen (Bewegungen etwa senkrecht zur Spiegeloberfläche) führen können. Hierbei kann die Interferometereinrichtung, insbesondere die erste Spiegeleinrichtung, derart ausgelegt werden, dass sich die Interferometereinrichtung oder zumindest die erste Spiegeleinrichtung in einem mechanisch aperiodisch oder überkritisch gedämpften Zustand befindet. Dadurch kann eine mechanische Schwingung durch die Auswertungsspannung als mechanische Störung weiter verringert werden. Die Auswertungsspannung kann bei einer Überlagerung der Aktuationsspannung eine aufmodulierte Detektionsspannung an der Aktuierungselektroden (oder zwischen der Aktuierungselektrode und dem ersten leitfähigen Bereich) darstellen. Durch eine entsprechende Wahl der Größe der Auswertungsspannungen, vorteilhaft möglichst gering, kann eine durch die Auswertungsspannungen an der Spiegeleinrichtung ausgelöste elektrostatische Kraft vorteilhaft möglichst geringgehalten werden. Hierbei kann vorteilhaft ein Kompromiss zwischen gewünschter Signalamplitude der Auswertungsspannungen und somit eines Messsignals Vout für die Kapazität oder deren Änderung und dem ungewünschten elektromechanischen Effekt eingenommen werden.
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Der Effektivwert der Aktuationsspannung als Wechselspannung kann als eine zusätzliche Aktuierung betrachtet und von der Ansteuerungsschaltung kompensiert werden.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Interferometereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Interferometereinrichtung 1 kann in Draufsicht auf eine Ebene der Spiegeleinrichtungen (SP1; SP2) als eine kreisrunde Interferometereinrichtung 1 mit kreisrunden Spiegeleinrichtungen SP1; SP2, einem kreisrunden Substrat mit einer Oberseite O und mit kreisrunden Aktuierungselektroden AL1 und AL2 ausgestaltet sein. Hierbei können auch die freigestellten Bereiche der Spiegeleinrichtungen, insbesondere der optische Bereich und der für eine Lichttransmission oder Lichtfilterung vorgesehene Mittelbereich MB kreisrund sein und von einer kreisrunden Randstruktur RS lateral vollständig umlaufen werden. Die Aktuierungselektroden AL1 und AL2 können durchgehend ohne Unterbrechungen und mit einer gleichen radialen Dicke über einen azimutalen Winkel φ ausgeformt sein.
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Im Unterschied zu 1b kann eine der Aktuierungselektroden AL1 oder AL2 oder beide Aktuierungselektroden in mehrere Teilsegmente (AL1a; AL2b; ...; AL2n) unterteilt sein, welche voneinander beabstandet sein können oder aneinander angrenzen können (nicht gezeigt). Die Teilsegmente AL1a; AL1b; ...; AL2n können jeweils an die gleiche oder an unterschiedliche Aktuationsspannungen anlegbar sein. Bei Unebenheiten der ersten oder zweiten Spiegeleinrichtung können unterschiedliche Aktuationsspannungen an Teilsegmente AL1a; AL1b; ...; AL2n der Aktuierungselektroden AL1 und/oder AL2 angelegt werden und Unebenheiten in der ersten Spiegeleinrichtung SP1 gemessen und derart beim Aktuieren kompensiert werden, so dass unter Aktuierung die erste Spiegeleinrichtung SP1 im Mittelbereich MB parallel zur zweiten Spiegeleinrichtung SP2 ausgelenkt und positioniert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch der erste leitende Bereich EL1 Teilsegmente umfassen.
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Die Elektroden können so segmentiert werden, um die Auslenkung der Spiegeleinrichtung (erste) örtlich aufzulösen, um so eventuell eingebaute Asymmetrien durch die Aufbau- und Verbindungstechnik oder Toleranzen, beispielsweise im Herstellungsprozess der Interferometereinrichtung, ausgleichen zu können. Vorteilhaft können so auch mehrere Segmente zusammengeschalten werden. Ein weiterer Vorteil an dieser Stelle kann eine Möglichkeit der Anpassung der Absolutwerte der Kapazitäten im Falle von großflächigen FPIs (Fabry-Perot-Interferometern) sein um den Dynamikumfang einer bereits existenten Auswerteschaltung (z.B. in Form eines ASICs) besser ausfüllen zu können.
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5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild von Verfahrensschritten eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Interferometereinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Interferometereinrichtung; ein Anlegen S2 einer Aktuationsspannung zwischen der ersten Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich und zwischen der zweiten Aktuierungselektrode und dem ersten elektrisch leitenden Bereich durch die Steuereinrichtung und ein Aktuieren der ersten Spiegeleinrichtung; ein Anlegen S3 einer Auswertungsspannung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode und zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode durch die Steuereinrichtung. Des Weiteren erfolgt ein Bestimmen S4 einer Differenz einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der ersten Aktuierungselektrode und einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich und der zweiten Aktuierungselektrode durch die Steuereinrichtung oder gegen eine feste Referenzkapazität einer Auswerteschaltung; und ein Bestimmen S5 des ersten Abstands zwischen der ersten Spiegeleinrichtung und der zweiten Spiegeleinrichtung aus der Differenz der Kapazitätsänderungen gegenüber einem unausgelenkten Zustand der beiden Spiegeleinrichtungen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0022643 A1 [0004]
